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Die Erfindung betrifft einen Befeuchter, insbesondere für eine einen Brennstoffzellenstapel umfassende Brennstoffzellenvorrichtung, mit einer hygroskopischen und/oder hydrophilen Struktur, durch welche mindestens ein Strömungskanal für trockenes Frischgas gebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem solchen Befeuchter.
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Befeuchter im Allgemeinen werden eingesetzt, um bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirken zu können. Derartige Gas/Gas-Befeuchter finden insbesondere Anwendung in Brennstoffzellenvorrichtungen, bei denen im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff verdichtet wird, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in den Brennstoffzellenstapeln für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, indem sie an einer für Wasserdampf durchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird. Für die Konditionierung der den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels zuzuführenden Luft ist auch deren Temperierung erforderlich, wozu in der Regel nach dem Verdichter positionierte Ladeluftkühler eingesetzt werden. Der Befeuchter und der Ladeluftkühler sind große Komponenten, die zu einer starken Vergrößerung des erforderlichen Bauraums für eine Brennstoffzellenvorrichtung beitragen und die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung einschränken, weil hohe thermische Verluste vorliegen. Befeuchter werden aber auch in anderen Systemen eingesetzt, beispielsweise bei Verbrennungsmaschinen, deren nachgelagerter SRC-Katalysator mit befeuchtetem aber nicht nassem Betriebsmedium versorgt ist.
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In der
US 8,304,123 B2 ist ein Membranbefeuchter sowie ein Rotationswärmeübertrager mit einer Cordierit-Keramik für ein gleichmäßiges Verdampfen einer Flüssigkeit und damit gleichmäßiges Befeuchten des Kathodengases beschrieben. Auch in der
US 6,776,809 B2 ist eine Vorrichtung beschrieben, die ein gleichmäßiges Verdampfen von Flüssigkeit im einem dem Brennstoffzellenstapel zuzuführenden reformierten Gas bewirken. Hierbei werden Einspritzdüsen verwendet, um das temperierte Gas zu befeuchten, wobei eine Honigwabenstruktur zur gleichmäßigen Befeuchtung vorgesehen ist. In der
KR 100730400B1 ist ein Befeuchter beschrieben, der mit einem hygroskopischen Granulat kammerweise befüllt ist, wobei die Kammern durch eine Membran voneinander getrennt sind. Die Befeuchtung des hygroskopischen Granulats erfolgt dabei unter Ausschluss einer zusätzlichen Wasserzuführung, da der Befeuchter über ein rotierbares Bauteil verfügt, welches zur gleichmäßigen Befeuchtung des hygroskopischen Granulats beiträgt.
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Die Erfindung beschäftigt sich mit einem speziellen Fall der Befeuchtung von Gasen, wobei Wasser oder wässrige Lösung in das Gas gegeben wird. Dabei kann das eingespritzte Wasser bzw. die wässrige Lösung häufig nicht rechtzeitig verdampfen, wodurch die nachfolgenden Komponenten nicht mit ihrer größten Effizienz betrieben werden oder sogar Schaden nehmen. So kann beispielsweise das Eintreten von flüssigem Wasser in einen Brennstoffzellenstapel, in ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse, oder in eine Abgasturbine zu einer Beeinträchtigung des Betriebs und zur Schädigung des Brennstoffzellenstapels führen. Ähnliches gilt für eine SCR-Einspritzung, bei der der Harnstoff auf einer kurzen Strömungsstrecke möglichst auf den gesamten Durchmesser des Katalysators geleitet wird, um dessen Potenzial vollständig ausschöpfen zu können.
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Die bekannten Befeuchter weisen eine große Baugröße und deshalb einen hohen Materialaufwand zu deren Herstellung auf. Zudem können die Bauteile sehr komplex gestaltet und mit zusätzlichen Komponenten, wie zum Beispiel mit Pumpen oder mit Hochdruckdüsen zu versehen sein. Außerdem werden zum Teil aufwändige Strömungsgeometrien hergestellt, die mit einem hohen Druckverlust einhergehen. Letztlich führen auch bekannte Vorrichtungen zu einer schlechten Verteilung des Wassers oder der wässrigen Lösung.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Befeuchter und eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem solchen Befeuchter bereitzustellen, die wenigstens einem der vorstehend erwähnten Nachteilen Rechnung tragen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Befeuchter mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 und durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Befeuchter zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Struktur sowie der mindestens eine in der Struktur ausgebildete Strömungskanal zur Befeuchtung des trockenen Frischgases membranfrei gebildet sind, und dass eine der Struktur zugewiesene Flüssigkeitszufuhr vorhanden ist, die ausgestaltet ist, die Struktur zumindest mittelbar mit einer Flüssigkeit zu befeuchten.
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Hierdurch lässt sich Wasser und/oder eine wässrige Lösung gleichmäßig, auf engem Raum und insbesondere drucklos im Massenstrom des trockenen Frischgases verteilen. Aufgrund dieser gleichmäßigen Verteilung werden stromab des Befeuchters gelegene Komponenten mit maximaler Effizienz betrieben und vor Schaden aufgrund eintretender Flüssigkeiten geschützt. Die hygroskopische und/oder hydrophile Struktur ist dabei vorzugsweise zusätzlich kapillaraktiv, um Wasser in sich zeitweise zu speichern und gezielt homogen in den Frischgasstrom wieder abzugeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Struktur als ein hydrophiler und/oder hygroskopischer, vorzugsweise zusätzlich kapillaraktiv gebildeter Materialkern gebildet, in welchem der mindestens eine Strömungskanal membranfrei ausgebildet ist. Durch diesen Materialkern wird gewährleistet, dass flüssiges Wasser nicht in nachfolgende Komponenten transportiert wird, was dort zur Beeinträchtigung des Betriebs oder zur Schädigung führen könnte. Vielmehr wird das flüssige Wasser im hydrophilen und/oder hygroskopischen, vorzugsweise zusätzlich kapillaraktiven Materialkern zurückgehalten und nur gezielt homogen in den Frischgasstrom abgegeben.
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Es hat sich als sinnvoll erwiesen, dass die Flüssigkeitszufuhr derart in den Materialkern mündet, dass die in den Materialkern eintretende Flüssigkeit zumindest abschnittsweise schwerkraftgetrieben durch den Materialkern fließen kann. Dies ermöglicht es, auf zusätzliche komplexe Bauteile zu verzichten, wie beispielsweise auf eine Pumpe für die Flüssigkeit. Außerdem kann dabei die Flüssigkeit ohne Druck in den Materialkern eingeleitet werden, wodurch sie sich zusätzlich gleichmäßig über den Materialkern verteilt.
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In diesem Zusammenhang hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn in dem oder an dem Materialkern ein mindestens einen Flüssigkeitskanal umfassendes Kanalsystem ausgebildet ist, wobei die Flüssigkeitskanäle insbesondere senkrecht bezüglich der Strömungskanäle orientiert sind. Das Kanalsystem kann mehrere der Kanäle aufweisen, die verzweigend gebildet sind. Alle Kanäle sind dabei fluidmechanisch mit der Flüssigkeitszufuhr verbunden und bewirken eine gleichmäßigere Befeuchtung eines Frischgasstroms, der durch den mindestens einen Strömungskanal strömt.
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Es hat sich als sinnvoll herausgestellt, dass das Kanalsystem an einer Stirnseite des Materialkerns ausgebildet ist, wobei das Kanalsystem dann vorzugsweise an der vom trockenen Frischgasstrom angeströmten Stirnseite des Materialkerns angeordnet ist. Wenn die Flüssigkeitskanäle an oder nahe der angeströmten Stirnseite ausgebildet sind, so wird das im Materialkern aufgenommene Wasser gegen den Materialkern gedrückt und dadurch von ihm noch besser aufgenommen. Die Aufnahmefähigkeit für flüssiges Wasser kann über die Dicke, mithin über die Längserstreckung des Materialkerns angepasst werden.
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Eine andere Ausgestaltung der Struktur sieht vor, dass diese aus mindestens zwei hygroskopischen und/oder hydrophilen, vorzugsweise zusätzlich kapillaraktiven Flügeln gebildet ist, die zwischen sich den mindestens einen Strömungskanal ausbilden. Auf diese Flügel wird dabei mittels der Flüssigkeitszufuhr die Flüssigkeit gegeben, damit diese gezielt und homogen den Frischgasstrom befeuchten können.
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In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass die Flügel an einer Rotationswelle festgelegt und derart ausgebildet sind, die Rotationswelle mittels des zu befeuchtenden Frischgasstroms rotierend anzutreiben. Hierbei wird verhindert, dass Wassertropfen stromab der Rotationswelle zu Schädigungen an stromab des Befeuchters liegenden Komponenten führen können. Vorzugsweise sind mindestens drei der Flügel an der Rotationswelle festgelegt und gleichmäßig über deren Umfang verteilt angeordnet. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, mehr als drei der Flügel an der Rotationswelle festzulegen, wobei sich beispielsweise sechs Flügel als sinnvoll erwiesen haben, um stromab ab des Befeuchters liegende Komponenten vor dem Eindringen einer Flüssigkeit zu schützen. Zwischen den Flügeln sind dabei die Strömungskanäle ausgebildet, die aufgrund der Rotation der Rotationswelle ebenfalls auf einer Kreisbahn „wandern“.
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Eine weitere Alternative für die Befeuchtungsstruktur, insbesondere des Materialkerns oder der Flügel zeichnet sich dadurch aus, dass die Flüssigkeitszufuhr durch eine stromauf der Struktur angeordnete, insbesondere auf eine Stirnseite der Struktur, vorzugsweise auf die vom trockenen Frischgasstrom angeströmte Stirnseite der Struktur, gerichtete Einspritzdüse gebildet ist. Auch hierdurch lässt sich mit sehr geringem Druck die Flüssigkeit auf die hygroskopische und/oder hydrophile, vorzugsweise zusätzlich kapillaraktive Struktur bringen, mit welcher der Frischgasstrom homogen befeuchtet wird.
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Als besonders hygroskopisches, hydrophiles und vorzugsweise kapillaraktives Material hat sich Calciumsilikat erwiesen, womit gemäß einer vorteilhaften Weitergestaltung die Struktur, der Materialkern oder die Flügel aus Calciumsilikat bestehen oder Calciumsilikat umfassen.
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Die für den erfindungsgemäßen Befeuchter beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung, die mit einem solchen ausgestattet ist.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 schematisch einen ersten Befeuchter, welchem die Flüssigkeitszufuhr zugewiesen ist und welcher in eine Strömungsleitung zwischen einer ersten stromauf angeordneten Komponente und einer zweiten stromab angeordneten Komponente geschaltet ist,
- 2 schematisch einen Befeuchter, welchem der trockene Frischgaszustrom im Bild von links zugeführt wird (linker Pfeil), aus welchem der befeuchtete Frischgasstrom nach rechts austritt (rechter Blockpfeil), wobei die Struktur als ein Materialkern gebildet ist, und wobei eine Einspritzdüse zur Befeuchtung genutzt wird,
- 3 den Schnitt III-III aus 2,
- 4 schematisch einen Befeuchter, welchem der trockene Frischgaszustrom im Bild von links zugeführt wird (linker Pfeil), aus welchem der befeuchtete Frischgasstrom nach rechts austritt (rechter Blockpfeil), wobei die Struktur als ein Materialkern gebildet ist, und wobei ein Kanalsystem zur Befeuchtung genutzt wird,
- 5 den Schnitt V-V aus 4,
- 6 schematisch einen Befeuchter, welchem der trockene Frischgaszustrom im Bild von links zugeführt wird (linker Pfeil), aus welchem der befeuchtete Frischgasstrom nach rechts austritt (rechter Blockpfeil), wobei die Struktur als Flügel gebildet ist, und wobei eine Einspritzdüse zur Befeuchtung genutzt wird, und
- 7 den Schnitt VII-VII aus 6.
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In 1 ist schematisch die Anordnung eines Befeuchters 200 gezeigt, der strömungsmechanisch zwischen einer ersten Komponente 100 und einer zweiten Komponente 102 in eine Leitung eingebunden ist. Die erste Komponente 100 ist dabei stromauf eines in den Befeuchter 200 strömenden Gasstroms und die zweite Komponente 102 stromab des Befeuchters 200 angeordnet. Zudem ist schematisch ein Anschluss 220 gezeigt, der eine Flüssigkeitszufuhr 222 des Befeuchters darstellt.
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Die erste Komponente 100 ist in einer Brennstoffzellenvorrichtung beispielsweise der kathodenseitig angeordnete Verdichter zur Ansaugung des Kathodengases, insbesondere von Sauerstoff enthaltender Luft. In anderen Systemen kann die erste Komponente 100 beispielsweise auch ein Verbrennungsmotor sein. Die stromab des Befeuchters 200 angeordnete zweite Komponente 102 kann in einer Brennstoffzellevorrichtung beispielsweise ein Ladeluftkühler, eine weitere Befeuchtungseinrichtung, der Brennstoffzellenstapel, eine Abgasturbine oder auch ein anodenseitiges Wasserstoffrezirkulationsgebläse des Brennstoffzellenstapels sein. Der Einsatzzweck des Befeuchters 200 ist aber nicht auf eine Brennstoffzellenvorrichtung beschränkt.
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Der Befeuchter 200 hat sich dennoch als besonders vorteilhaft beim Einsatz in einer Brennstoffzellenvorrichtung erwiesen, wenn dieser zur Feuchteregulierung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen genutzt wird.
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Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
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Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
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Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Da in dem Brennstoffzellenstapel mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter (bspw. erste Komponente 100) ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel (zweite Komponente 102) gewünschten Parameter, erfolgt in dem dem Verdichter nachgelagerten Befeuchter 200. Eine Sättigung der Membranen der Brennstoffzelle steigert dabei deren Effizienz, da dies den Protonentransport begünstigt.
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Anodenseitig ist der Brennstoffzellenstapel typischerweise mit einer Anodenzufuhrleitung fluidmechanisch verbunden, so dass der in einem Brennstoffspeicher enthaltene Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden kann. Zur Vorkonditionierung des Brennstoffes kann in die Anodenzufuhrleitung zusätzlich ein Rekuperativ-Wärmetauscher eingebunden sein, um das in der Regel kühle Brennstoffgas zu erwärmen. Ein Ventil oder auch eine Saugstrahlpumpe können dabei geeignet sein, um den gewünschten Partialdruck an frischem Brennstoff innerhalb des Anodenkreislaufes zu realisieren, der durch die Anodenrezirkulationsleitung zustande kommt. Mit einer solchen Anodenrezirkulationsleitung kann der im Brennstoffzellenstapel nicht verbrauchte Brennstoff den Anodenräumen stromauf des Brennstoffzellenstapels erneut zugeführt werden, so dass dabei die Anodenrezirkulationsleitung wieder in die Anodenzufuhrleitung mündet. Für den erforderlichen Massetransport kann dabei auch ein Rezirkulationsgebläse in die Anodenrezirkulationsleitung eingebunden sein. Um die Flüssigkeit aus dem Anodenkreislauf auszutragen, ist vorliegend in die Anodenrezirkulationsleitung ein Abscheider eingebunden. Dieser ist fluidmechanisch mit der Kathodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung verbunden, so dass die anodenseitig anfallende Flüssigkeit beispielsweise genutzt werden kann, um das kathodenseitige Frischgas zu befeuchten bevor es dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Vorliegend mündet eine mit dem anodenseitigen Abscheider fluidmechanisch verbundene Flüssigkeitsleitung in den Befeuchter 200 unmittelbar, wozu dieser einen Anschluss 220 aufweist, der strömungsmechanisch mit der Flüssigkeitzufuhr 222 verbunden ist.
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Ein möglicher Aufbau des Befeuchters 200 lässt sich anhand von 2 bis 7 näher erkennen. Diese Befeuchter 200 umfassen eine hygroskopische und/oder hydrophile, vorzugsweise zusätzlich kapillaraktive Struktur 206, durch welche mindestens ein Strömungskanal 204 für trockenes Frischgas gebildet ist. Diese Struktur 206 sowie der mindestens eine in der Struktur 206 ausgebildete Strömungskanal 204 zur Befeuchtung des trockenen Frischgases sind membranfrei gebildet, wodurch sich die Befeuchter 200 besonders kostengünstig herstellen und an beliebige Bauraumgegebenheiten anpassen lassen. Der Struktur 206 ist die Flüssigkeitszufuhr 222 zugewiesen, die ausgestaltet ist, die Struktur 206 zumindest mittelbar mit einer Flüssigkeit zu befeuchten. Die Flüssigkeit wird dabei von der hygroskopischen und/oder hydrophilen, vorzugsweise zusätzlich kapillaraktiven Struktur 206 aufgenommen und homogen in den durch den mindestens einen Strömungskanal 204 strömenden Anteil des trockenen Frischgases eingebracht, um das trockene Frischgas zu befeuchten. Bei den dargestellten Befeuchtern 200 ist jeweils eine Mehrzahl an Störungskanälen 204 vorhanden, die vorzugsweise parallel zueinander verlaufen. Sie sind außerdem insbesondere geradlinig gebildet, um zu großen Druckverlusten vorzubeugen. Auch die Flüssigkeit, nämlich das Wasser oder die wässrige Lösung, wird nur mit einem geringen Druck in die Befeuchter 200 gegeben, um von der hygroskopischen und/oder hydrophilen, vorzugsweise kapillaraktiven Struktur 206 aufgenommen zu werden.
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Der Befeuchter 200 nach 2 und 3 weist dabei eine Mehrzahl von über den Querschnitt der Struktur 206 ausgebildeter Strömungskanäle 204 auf, die ebenfalls zu großen Druckverlusten vorbeugen. Die Struktur 206 ist dabei als ein hydrophiler und/oder hygroskopischer, vorzugsweise zusätzlich kapillaraktiver Materialkern 202 gebildet, in welchem die Strömungskanäle 204 membranfrei ausgebildet sind. Zur Befeuchtung des Materialkerns 202 ist die Flüssigkeitszufuhr 222 vorliegend als eine Einspritzdüse 224 gebildet, die auf eine Stirnseite 208 des Materialkerns 202 gerichtet ist. Diese Stirnseite 208 ist die vom trockenen Frischgasstrom angeströmte Stirnseite 208 des Materialkerns 202, sodass der Frischgasstrom das Eindringen der Flüssigkeit in das Material des Materialkerns 202 begünstigt.
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Eine weitere Ausgestaltung des Befeuchters 200 ist den 4 und 5 zu entnehmen, wobei auch hier wieder eine Mehrzahl von Strömungskanälen 204 über den Querschnitt des Materialkerns 202 verteilt angeordnet ist. Hierbei sind in dem oder an dem Materialkern 202 mehrere Flüssigkeitskanäle 232 vorhanden, die mit der Flüssigkeitszufuhr 222 strömungsmechanisch verbunden sind. Die Flüssigkeitskanäle 232 bilden ein Kanalsystem 230, welches sich über den Querschnitt des Materialkerns 202 erstreckt und vorzugsweise mehrere Verzweigungen aufweist. Die Flüssigkeitszufuhr 222 mündet dabei derart in den Materialkern 202, dass die in den Materialkern 202 eintretende Flüssigkeit zumindest abschnittsweise schwerkraftgetrieben durch den Materialkern 202 fließen kann. Die Flüssigkeitskanäle 232 sind dabei senkrecht bezüglich der Strömungskanäle 204 orientiert. Es besteht die vorteilhafte Möglichkeit, dass das Kanalsystem 230 ebenfalls an der Stirnseite 208 ausgebildet ist, welche vom trockenen Frischgasstrom angeströmt wird. Auch dabei begünstigt der auf die Stirnseite 208 auftreffende Frischgasstrom die Befeuchtung des Materialkerns 202, da die Flüssigkeit in den Flüssigkeitskanälen 232 gegen den Materialkern 202 gedrückt und dadurch von diesem besser aufgenommen wird. Die Aufnahmefähigkeit für Wasser kann über die Dicke des Materialkerns 202 variiert werden.
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Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung des Befeuchters 200 ist den 6 und 7 zu entnehmen. Hierbei ist die Struktur 206 aus mindestens zwei hygroskopischen und/oder hydrophilen, vorzugsweise zusätzlich kapillaraktiven Flügeln 226 gebildet, die zwischen sich den mindestens einen Strömungskanal 204 ausbilden. Dabei können die Flügel 226 an einer Rotationswelle 228 festgelegt und derart ausgebildet sein, dass die Rotationswelle 228 mittels des zu befeuchtenden Frischgasstroms rotierend angetrieben wird. Dieses rotierende Flügelrad weist mehrere der Flügel 226 auf, die gleichmäßig über den Umfang der Rotationswelle 228 verteilt angeordnet sind. Zwischen je zwei Flügeln 226 ist dabei der Strömungskanal 204 ausgebildet. Die Flüssigkeitszufuhr 222 ist auch hier beispielsweise als eine Einspritzdüse 224 geformt, die Flüssigkeit stromauf des Flügelrads in den Befeuchters 200 eingebringt, insbesondere auf Flügel 226 aufbringt.
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Die Struktur 206 aller vorstehend beschriebenen Befeuchter 200 kann aus Calciumsilikat bestehen oder ein solches umfassen. Zusätzlich kann die Struktur 206 aller vorstehend beschriebenen Befeuchter 200 mit einem wärmeisolierenden Material versehen sein.
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Insgesamt liegen mit den vorstehend beschriebenen Befeuchtern 200 sowie der vorliegenden Brennstoffzellenvorrichtung mit einem solchen Befeuchter 200 Gestaltungen vor, die sich an die in einem Brennstoffzellenfahrzeug vorhandenen Bauraumsituationen leicht anpassen lassen. Zudem zeichnet sich der Befeuchter 200 durch einen einfachen Aufbau, durch eine geringe Baugröße, durch einen geringeren Materialaufwand und durch damit verbundene geringere Materialkosten aus. Aufgrund der erfindungsgemäß vorhandenen hydrophilen und/oder hygroskopischen, vorzugsweise zusätzlich kapillaraktiven Struktur 206 werden stromab des Befeuchters 200 vorhandene Komponenten 102 vor der Einbringung von flüssigem Wasser geschützt, sodass dort keine Schäden entstehen können.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- erste Komponente
- 102
- zweite Komponente
- 200
- Befeuchter
- 202
- Materialkern
- 204
- Strömungskanal (Frischgas)
- 206
- Struktur
- 208
- Stirnseite
- 220
- Anschluss
- 222
- Flüssigkeitszufuhr
- 224
- Einspritzdüse
- 226
- Flügel
- 228
- Rotationswelle
- 230
- Kanalsystem
- 232
- Kanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8304123 B2 [0003]
- US 6776809 B2 [0003]
- KR 100730400 B1 [0003]
